Toxicological Profile for Plutonium

PLUTONIUM 
110 
3.  HEALTH EFFECTS 
and Polig 2000).  Sensitivity and uncertainty analyses of model predictions have been reported (Luciani et 
al. 2001, 2003). 
Risk Assessment. 
The model could be used to establish the radiation dose (Sv) per unit of ingested 
or inhaled plutonium (Bq) in adults if linked to radioactive decay and radiation dose models. 
Target Tissues. 
The model is designed to calculate radiation dose coefficients (Sv/Bq) corresponding 
to specific inhalation or ingestion exposures to plutonium isotopes. 
Species Extrapolation. 
The model is intended for applications to human dosimetry.  Applications to 
other species would require consideration of species-specific adjustments in model parameters. 
Interroute Extrapolation. 
The Luciani and Polig (2000) model is designed to simulate kinetics of 
absorbed plutonium, and includes gastrointestinal tract compartments for simulating absorption from 
ingestion.  If combined with a respiratory tract model (e.g., ICRP 1994b), the model can be used to 
simulate inhalation exposures to plutonium.  The model has been applied to injection exposures (Luciani 
and Polig 2000) and can be applied to any other route of exposure for which the transfer rate to blood is 
available. 
First Branch of the First Institute of Biophysics (FIB-1) Biokinetic Plutonium Model 
Description of the Model. 
Khokhryakov et al. (1994, 2000, 2002) developed a biokinetics model for 
predicting the accumulation of plutonium in the lungs (and corresponding radiation doses) of workers at 
the Mayak Production Association (Russian Federation), based on exposure information and 
biomonitoring of urinary plutonium.  The model included a lung clearance model, which delivered 
plutonium into a multi-compartment elimination (urinary and fecal) model (Figure 3-9).  In the lung 
clearance model shown in Figure 3-9, inhaled plutonium was distributed to three lung clearance 
pathways:  rapid clearance, slow clearance (to systemic compartments and lymph nodes), or fixed 
(permanently retained in the lung).  Plutonium compounds were assigned specific distributions to the 
three pathways according to estimates of “biological transportability” (S) as determined by dialysis 
through a semi-permeable membrane (Khokhryakov et al. 1998).  Compounds in the low transportability 
class (S=0.3%; e.g., PuO
2
) were assigned larger distribution fractions to fixed and slow clearance 
pathways, compared to higher transportability classes (e.g., S=3%, Pu[NO
3
]
4
).  For PuO
2
, lung retention 

---

PLUTONIUM 
111 
3.  HEALTH EFFECTS 
Figure 3-9.  Schematic Representation of the First Institute of Biophysics (FIB) 
Model of Plutonium Biokinetics in Humans* 
V(T) 
Systemic 1 
Systemic 6 
Systemic 2 
Systemic 7 
Systemic 3 
Systemic 8 
Systemic 4 
Systemic 9 
Systemic 5 
Systemic 
10 
Urine 
Feces 
Fixed lung 
(Qf) 
Slow clearing 
lung (Qs) 
Lymph nodes 
(Q
n
) 
K
f 
K
n 
Δ 
λ 
1-K
n 
λ 
β 
x
1 
x
2 
x
3 
x
6 
x
4 
x
5 
x
7 
x
8 
x
9 
x
10 
*See Table 3-10 for explanation of symbols and parameter values. 
Source:  Khokhryakov et al. 2002 

---

PLUTONIUM 
112 
3.  HEALTH EFFECTS 
half-times are assumed to be approximately 4.4 days (fast) and 2,000 days (slow; corresponding half-
times for Pu(NO
3
)
4 
are 31 and 1,500 days, respectively. 
Plutonium absorbed from the lung enters a systemic compartment composed of 10 sub-compartments 
from which plutonium is transferred to urine (5) or feces (5).  The sub-compartments represent kinetically 
similar pools of plutonium in the body, rather than specific tissues (i.e., the model was intended to 
simulate lung retention and excretion, not plutonium burdens in other tissues), and are assigned unique 
excretion rate constants.  Summing the outflow from all five compartments provides the estimated total 
excreted plutonium per day.  Distribution fractions and transfer rates, and half-times for the various 
compartments are presented in Table 3-10.  A recent configuration of the model (Khokhryakov et al. 
2005) replaced the FIB-1 lung clearance model with the ICRP Human Respiratory Tract Model for 
Radiological Protection (ICRP 1994b). 
Validation of the Model. 
The FIB-1 model has been evaluated with data on plutonium excretion and 
postmortem lung and total body burdens in 543 Mayak workers (Khokhryakov et al. 2002).  An 
adaptation of the FIB-1 model, with the lung clearance model replaced by the ICRP Human Respiratory 
Tract Model for Radiological Protection (ICRP 1994b), has also been evaluated against the same data 
(Khokhryakov et al. 2005; Suslova et al. 2003).  An uncertainty analysis of model predictions has been 
reported (Krahenbuhl et al. 2005). 
Risk Assessment. 
The model has been used to establish the lung radiation dose (Sv) per unit of 
plutonium intake (Bq) in plutonium production workers (Khokhryakov et al. 2002, 2005). 
Target Tissues. 
The model is designed to calculate radiation dose coefficients (Sv/Bq) to the lung 
corresponding to specific inhalation exposures to plutonium isotopes or from urine plutonium 
biomonitoring data (Khokhryakov et al. 2002, 2005). 
Species Extrapolation. 
The model is based on both human and animal data.  However, it is intended 
for applications to human dosimetry.  Applications to other species would require consideration of 
species-specific adjustments in modal parameters. 
Interroute Extrapolation. 
The FIB-1 model was constructed to simulate kinetics of inhaled 
plutonium. The systemic portion of the model is an empirical model (compartmental with no assignments 
of compartments to physiological entities) for which parameter values were derived from data on 

---